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CN113490571B - 高Cr铁素体系耐热钢用焊接材料 - Google Patents

高Cr铁素体系耐热钢用焊接材料 Download PDF

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CN113490571B CN202080014686.3A CN202080014686A CN113490571B CN 113490571 B CN113490571 B CN 113490571B CN 202080014686 A CN202080014686 A CN 202080014686A CN 113490571 B CN113490571 B CN 113490571B
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Abstract

提供一种高Cr铁素体系耐热钢用焊接材料，其能够抑制作为软质组织的δ铁素体的发生，由此，能够得到韧性提高，并且，抗裂纹性和高温强度良好的焊接金属。高Cr铁素体系耐热钢用焊接材料，分别在规定范围含有C、Si、Mn、S、Co、V、Nb、W、N和O，并且，将Ni和P分别限制在规定范围，同时含有Cr：8.0质量％以上且9.5质量％以下，Mo：0.02质量％以上且0.20质量％以下，进一步限制Cu：低于0.05质量％，余量由Fe和不可避免的杂质构成。

Description

高Cr铁素体系耐热钢用焊接材料
技术领域
本发明涉及适合高Cr铁素体系耐热钢的焊接的焊接材料。
背景技术
发电用锅炉和涡轮机以及各种耐热耐压钢管，由于在高温高压的条件下使用，所以要求高温强度，特别是蠕变性能优异。高Cr铁素体系耐热钢正是针对这样的要求而开发，其所使用的焊接用焊丝也在各施工方法中已有多个提案。
例如，在专利文献1中公开有一种焊丝，其能够得到高温蠕变强度(高温强度)和韧性优异的焊接金属，而且焊接操作性优异，并且，能够抑制线材在制造时发生热裂纹。
在先技术文献
专利文献
专利文献1:日本国特开2004－42116号公报
但是，在上述专利文献1中，为了抑制对焊接金属的韧性造成不良影响的铁素体的析出，而含有恰当量的Cu，但是添加Cu导致焊接金属的抗裂纹性降低，因此，要求开发一种高Cr铁素体系耐热钢用焊接材料，其能够得到高温强度、韧性和抗裂纹性全都良好的焊接金属。
发明内容
本发明鉴于上述状况而形成，其目的在于，提供一种高Cr铁素体系耐热钢用焊接材料，其能够抑制作为软质组织的δ铁素体发生，由此，能够得到使韧性提高，并且抗裂纹性和高温强度也良好的焊接金属。
本发明的一个方式的高Cr铁素体系耐热钢用焊接材料，含有
C：0.01质量％以上且0.15质量％以下、
Si：0.02质量％以上且0.90质量％以下、
Mn：0.20质量％以上且1.20质量％以下、
S：0.0005质量％以上且0.015质量％以下、
Co：0.50质量％以上且5.00质量％以下、
Cr：8.0质量％以上且9.5质量％以下、
Mo：0.02质量％以上且0.20质量％以下、
V：0.05质量％以上且0.90质量％以下、
Nb：0.005质量％以上且0.100质量％以下、
W：1.00质量％以上且5.00质量％以下、
N：0.02质量％以上且0.04质量％以下、
O：0.001质量％以上且0.015质量％以下、
Cu：低于0.05质量％、
Ni：1.20质量％以下、
P：0.015质量％以下，
余量由Fe和不可避免的杂质构成。
另外，优选上述Ni为0.05质量％以上且1.20质量％以下。
另外，上述高Cr铁素体系耐热钢用焊接材料，优选还含有B：0.005质量％以上且0.015质量％以下、Al：0.015质量％以下、Ti：0.015质量％以下。
根据本发明，能够提供一种高Cr铁素体系耐热钢用焊接材料，其能够抑制作为软质组织的δ铁素体发生，由此，能够得到使韧性提高，并且抗裂纹性和高温强度良好的焊接金属。
具体实施方式
以下，详细说明有关用于实施本发明的方式(本实施方式)。还有，本发明不受以下说明的实施方式限定，在不脱离本发明的宗旨的范围内，能够任意变更实施。
一般来说，在高Cr铁素体系耐热钢经焊接得到的焊接金属中，容易生成作为软质组织的δ铁素体，其使焊接金属的韧性降低，因此，以恰当的含量，使焊丝中含有具有抑制δ铁素体生成这一效果的元素(例如Cu)，对于提高焊接金属的韧性有效。
但是，本发明者们着眼于添加Cu导致焊接金属的抗裂纹性降低，并对于焊接材料的金属成分的种类及其含量进行了锐意研究，其结果发现，通过恰当地调整造成韧性降低这一影响的δ铁素体的生成元素即Mo和Cr的含量，以此取代降低有助于韧性提高但却使抗裂纹性降低的Cu含量，则能够得到高温强度、韧性及抗裂纹性全都良好的焊接金属。
以下，对于本实施方式的高Cr铁素体系耐热钢用焊接材料，详细说明其成分添加理由及组成限定理由。
[高Cr铁素体系耐热钢用焊接材料的组成]
本实施方式的高Cr铁素体系耐热钢用焊接材料中，以下的元素必须含有，或能够作为任意成分含有。还有，本实施方式的高Cr铁素体系耐热钢用焊接材料，作为焊丝(实芯焊丝)使用时，以下所示的各成分的含量，意味着在焊丝总质量中的含量。
＜C：0.01质量％以上且0.15质量％以下＞
C在焊接金属中作为碳化物析出，是用于确保蠕变强度的不可或缺的元素。
C含量低于0.01质量％时，不能充分取得上述效果。因此，焊接材料中的C含量为0.01质量％以上，优选为0.02质量％以上，更优选为0.03质量％以上。
另一方面，C也是奥氏体生成元素，因此若C含量高于0.15质量％，则焊接金属的Ac1相变点降低，因此在焊接后热处理时发生奥氏体相变，其结果是，蠕变强度降低，另外热裂纹的敏感性也变高。因此，焊接材料中的C含量为0.15质量％以下，优选为0.13质量％以下，更优选为0.11质量％以下。
＜Si：0.02质量％以上且0.90质量％以下＞
Si在焊接金属熔融时作为脱氧剂起作用，使焊接金属中的氧含量降低，是有助于冲击性能提高的元素。另外，Si在焊接金属熔融时使该熔融金属的界面张力降低，也有减少未熔合和焊瘤等焊接缺陷的效果。
Si含量低于0.02质量％时，不能充分取得上述效果。因此，焊接材料中的Si含量は0.02质量％以上，优选为0.04质量％以上，更优选为0.06质量％以上。
另一方面，因为Si是铁素体生成元素，所以，若Si含量高于0.90质量％，则铁素体在焊接金属中残留，其韧性劣化。因此，焊接材料中的Si含量为0.90质量％以下，优选为0.70质量％以下，更优选为0.40质量％以下。
＜Mn：0.20质量％以上且1.20质量％以下＞
Mn在焊接金属熔融时作为脱氧剂起作用，此外从确保其强度和韧性这一观点出发是不可或缺的元素。
Mn含量低于0.20质量％时，不能充分取得上述效果。因此，焊接材料中的Mn含量为0.20质量％以上，优选为0.30质量％以上，更优选为0.40质量％以上。
另一方面，因为Mn是奥氏体生成元素，所以若Mn含量高于1.20质量％，则焊接金属的Ac1相变点降低，蠕变强度降低。因此，焊接材料中的Mn含量为1.20质量％以下，优选为1.00质量％以下，更优选为0.80质量％以下。
＜S：0.0005质量％以上且0.015质量％以下＞
S在焊接金属熔融时使该熔融金属的界面张力降低，是具有防止未熔合和咬边等焊接缺陷发生的效果的元素，发挥着提高焊接操作性的效果。
S含量低于0.0005质量％时，不能充分取得上述效果。因此，焊接材料中的S含量为0.0005质量％以上，优选为0.0007质量％以上，更优选为0.001质量％以上。
另一方面，因为S是提高热裂纹敏感性的元素，所以若S含量高于0.015质量％，则焊接金属发生热裂纹。因此，焊接材料中的S含量为0.015质量％以下，优选为0.012质量％以下，更优选为0.008质量％以下。
＜Co：0.50质量％以上且5.00质量％以下＞
Co是奥氏体生成元素，具有抑制会对韧性造成不良影响的铁素体生成的效果。
Co含量低于0.50质量％时，不能充分取得上述效果。因此，焊接材料中的Co含量为0.50质量％以上，优选为1.00质量％以上，更优选为1.50质量％以上，进一步优选为2.00质量％以上，特别优选为2.50质量％以上。
另一方面，Co与Ni同样，若过剩地含有，则焊接金属的Ac1相变点降低，蠕变强度降低。因此，焊接材料中的Co含量为5.00质量％以下，优选为4.50质量％以下，更优选为4.00质量％以下，进一步优选为3.50质量％以下。
＜Cr：8.0质量％以上且9.5质量％以下＞
Cr是以本实施方式的焊接材料为使用对象的高Cr铁素体系耐热钢中含有的主要合金元素。另外，Cr是用于确保焊接金属的抗氧化性、耐腐蚀性和强度等的不可或缺的元素。
Cr含量低于8.0质量％时，不能充分确保上述焊接金属的特性。因此，焊接材料中的Cr含量为8.0质量％以上，优选为8.1质量％以上，更优选为8.2质量％以上。
另一方面，Cr是铁素体生成元素，但如上述，在本实施方式中，因为要减少具有铁素体生成抑制效果的Cu含量，所以Cr含量也需要限制在恰当量，以抑制焊接金属韧性的降低。若Cr含量高于9.5质量％，则铁素体在焊接金属中析出而韧性劣化。因此，焊接材料中的Cr含量为9.5质量％以下，优选为9.3质量％以下，更优选为9.2质量％以下。
＜Mo：0.02质量％以上且0.20质量％以下＞
Mo是钢中的固溶强化元素，具有固溶在焊接金属中而使其强度提高的效果。
Mo含量低于0.02质量％时，不能充分取得上述效果。因此，焊接材料中的Mo含量0.02质量％以上，优选为0.03质量％以上，更优选为0.04质量％以上。
另一方面，Mo是生成δ铁素体的元素，但如上述，在本实施方式中，因为要减少具有铁素体生成抑制效果的Cu含量，所以Mo含量也需要限制在恰当量，以抑制焊接金属韧性的降低。若Mo含量高于0.20质量％，则铁素体在焊接金属中析出韧性劣化。因此，焊接材料中的Mo含量为0.20质量％以下，优选为0.15质量％以下，更优选为0.12质量％以下。
＜V：0.05质量％以上且0.90质量％以下＞
V是钢中的析出强化元素，在焊接金属中作为碳氮化物析出，而具有使其强度提高的效果。
V含量低于0.05质量％时，不能充分取得上述效果。因此，焊接材料中的V含量为0.05质量％以上，优选为0.08质量％以上，更优选为0.10质量％以上。
另一方面，若V含量高于0.90质量％，则焊接金属的强度变得过强而韧性劣化。因此，焊接材料中的V含量为0.90质量％以下，优选为0.75质量％以下，更优选为0.40质量％以下，进一步优选为0.30质量％以下。
＜Nb：0.005质量％以上且0.100质量％以下＞
Nb是钢中的析出强化元素，在焊接金属中作为碳氮化物析出而具有使之强度提高的效果。
Nb含量低于0.005质量％时，不能充分取得上述析出强化的效果。因此，焊接材料中的Nb含量为0.005质量％以上，优选为0.010质量％以上，更优选为0.020质量％以上。
另一方面，若Nb含量高于0.100质量％，则焊接金属的强度变得过强，韧性劣化。因此，焊接材料中的Nb含量为0.100质量％以下，优选为0.09质量％以下，更优选为0.08质量％以下，进一步优选为0.07质量％以下。
＜W：1.00质量％以上且5.00质量％以下＞
W是钢中的固溶强化元素，具有固溶在焊接金属中而使其强度提高的效果。
W含量低于1.00质量％时，不能充分取得上述效果。因此，焊接材料中的W含量为1.00质量％以上，优选为1.10质量％以上，更优选为1.20质量％以上。
另一方面，W也是铁素体生成元素，因此若含有高于5.00质量％，则铁素体在焊接金属中析出，韧性劣化。因此，焊接材料中的W含量为5.00质量％以下，优选为4.20质量％以下，更优选为3.60质量％以下。
＜N：0.02质量％以上且0.04质量％以下＞
N在钢中发挥着固溶强化的效果，并且与Nb和V结合而作为氮化物析出，是有助于提高焊接金属的蠕变强度的元素。另外，N也是抑制δ铁素体生成的元素。在本实施方式中，为了抑制抗裂纹性的降低而减少Cu含量，因此使焊接材料中，以规定量以上的含量含有具有δ铁素体生成抑制效果的N是有效的。
N含量低于0.02质量％时，不能充分取得上述效果。因此，焊接材料中的N含量为0.02质量％以上，优选为0.021质量％以上。
另一方面，N是强力的奥氏体生成元素，若N含量高于0.04质量％，则焊接金属的Ac1相变点降低，蠕变强度降低。因此，焊接材料中的N含量为0.04质量％以下，优选为0.038质量％以下，更优选为0.035质量％以下。
＜O：0.001质量％以上且0.015质量％以下＞
O在焊接金属熔融时，使该熔融金属的界面张力降低，是具有防止未熔合和焊瘤等焊接缺陷发生的效果的元素，发挥着焊接操作性的提高效果。
O含量低于0.001质量％时，不能充分取得上述效果。因此，焊接材料中的O含量为0.001质量％以上，优选为0.0015质量％以上，更优选为0.0020质量％以上。
另一方面，若O含量高于0.015质量％，则熔融金属的界面张力变得过低，焊道外观变得不良，此外熔融金属中大量生成脱氧生成物，残留在焊接金属中使其韧性劣化。因此，焊接材料中的O含量为0.015质量％以下，优选为0.014质量％以下，进一步优选为0.013质量％以下，特别优选为0.012质量％以下。
＜Cu：低于0.05质量％(含0质量％)＞
Cu是奥氏体生成元素，具有抑制对韧性造成不良影响的δ铁素体生成的效果。
若Cu含量为0.05质量％以上，则焊接金属的抗裂纹性劣化，并且焊接金属的Ac1相变点降低，蠕变强度降低。在本实施方式中，因为恰当地调整了促进δ铁素体生成的Mo和Cr的含量，所以，即使减少Cu含量，也能够一边抑制韧性的降低，一边使焊接金属的抗裂纹性提高。因此，焊接材料中的Cu含量低于0.05质量％，优选为0.04质量％以下，更优选为0.03质量％以下。
＜Ni：1.20质量％以下(含0质量％)＞
Ni是奥氏体生成元素，具有抑制对韧性造成不良影响的铁素体生成的效果。
若Ni含量高于1.20质量％，则焊接金属的Ac1相变点降低，蠕变强度降低。在本实施方式中，因为调整了促进δ铁素体生成的Mo和Cr的含量，所以，即使在焊接材料中未包含规定量以上的Ni时，也能够充分确保焊接金属希望的韧性。因此，焊接材料中的Ni含量为1.20质量％以下，优选为1.00质量％以下，更优选为0.90质量％以下。
还有，为了进一步提高焊接金属的韧性，优选焊接材料中的Ni含量为0.05质量％以上。
＜P：0.015质量％以下(含0质量％)＞
P是提高热裂纹的元素，在焊接金属形成过程这样的凝固温度范围和其之下的温度，特别容易发生裂纹，因此需要限制P含量。另外，在本实施方式中，由于与P同样，积极添加会提高热裂纹敏感性的S，所以也需要考虑这一点。因此，焊接材料中的P含量为0.015质量％以下，优选为0.010质量％以下，更优选为0.008质量％以下。
＜B：0.005质量％以上且0.015质量％以下＞
本实施方式的焊接材料中，作为任意成分，优选还含有B：0.005质量％以上且0.015质量％以下。
B在钢中抑制结晶晶界的碳化物的粗大化，因此通过使B含有，能够更进一步提高焊接金属的蠕变强度。
如果B含量为0.005质量％以上，则能够得到上述效果。因此，焊接材料中的B优选为0.005质量％以上，更优选为0.006质量％以上。
另一方面，如果B含量为0.015质量％以下，则焊接金属的强度变得过强，因此能够有效地抑制韧性降低。因此，使焊接材料中含有B时，B含量为0.015质量％以下，优选为0.013质量％以下，更优选为0.012质量％。
＜Al：0.015质量％以下(含0质量％)＞
本实施方式的焊接材料中，作为任意成分还含有Al时，优选将Al限制在0.015质量％以下。
Al是在焊接金属熔融时作为强力的脱氧剂起作用的元素。
如果Al含量为0.015质量％以下，则脱氧过剩，焊接金属的强度变得过强，能够有效地抑制韧性降低。因此，焊接材料中的Al含量为0.015质量％以下，优选为0.010质量％以下，更优选为0.008质量％以下。
＜Ti：0.015质量％以下(含0质量％)＞
本实施方式的焊接材料中，作为任意成分还含有Ti时，优选将Ti限制在0.015质量％以下。
Ti是铁素体生成元素，使对于韧性造成不良影响的铁素体在焊接金属中析出。此外，Ti与Nb和V同样，是强力的碳化物形成元素，与C结合而作为针状的碳化物在焊接金属中析出。这一形态的碳化物使焊接金属的韧性显著降低，为此限制Ti含量，具体来说，有效的是使Ti含量为0.015质量％以下。因此，焊接材料中的Ti含量为0.015质量％以下，优选为0.010质量％以下，更优选为0.008质量％以下。
＜余量＞
本实施方式的焊接材料的余量，是Fe和不可避免的杂质。作为不可避免的杂质，例如有Li、Mg、Zr。
还有，本实施方式的焊接材料中，Fe含量对于焊接材料的总质量，优选为75质量％以上，更优选为78质量％以上。
[关于焊接材料]
本实施方式的高Cr铁素体系耐热钢用焊接材料，能够通过众所周知的制造方法，例如，加工成焊条、钨极气体保护电弧焊用的填充焊丝、及焊条电弧焊用的焊条的芯线等。另外，本实施方式的焊接材料，在焊接高Cr铁素体系耐热钢时，在TIG焊接、MAG焊接和埋弧焊之中任意一种焊接中都能够使用。
还有，使用本实施方式的焊接材料进行焊接时，只要所得到的焊接金属中的各成分的含量，在本实施方式的焊接材料的各元素的含量的范围内，就能够得到上述说明的本实施方式的效果。
实施例
以下，列举发明例和比较例，对于本发明更详细地说明，但本发明不受其限定。
[焊丝的制造]
熔炼具有下述表1所示的成分组成(余量是Fe和不可避免的杂质)的钢锭，对其实施热轧和冷拉丝，制作直径1.6mm的焊丝。还有，表1所示的各化学成分的含量，是焊丝总质量中的含量(质量％)。
[焊接]
接着，使用上述焊丝，对于软钢钢板进行隔离层堆焊，在经坡口加工后，在坡口内进行自动钨极气体保护电弧焊(GTAW：Gas Tungsten Arc Welding)。其后，以740～760℃的温度实施焊接后热处理(PWHT：Post Weld Heat Treatment)。以下显示焊接条件。
(焊接条件)
母材的板厚：12mm
坡口角度，形状：45°、V型
根部间隔：6.5mm
焊丝直径：1.6mm
电流：220～240A/230A
电压：10～12V/11V
焊接速度：8～10cm/min
气体的种类、流量：100％Ar、25升/min
焊丝送给量：8g/min
预热·层间温度：250～300℃
层叠法：6～7层9～13道
[评价]
再对于下述表2所示的温度和时间下的PWHT后的焊接金属，进行以下各种试验，评价焊接金属的高温强度、韧性及抗裂纹性，并且观察金属组织。各种试验的评价结果一并显示在下述表2中。
＜高温强度＞
对于PWHT后的焊接金属，依据JIS Z3111实施650℃下的高温抗拉试验，测量0.2％屈服强度(0.2％YS)。还有，所得到的值为280MPa以上的，评价：A(优良)，250MPa以上且低于280MPa的，评价：B(良)，低于250MPa的，评价：C(不良)。
＜韧性＞
对于PWHT后的焊接金属，依据JIS Z2242以20℃实施摆锤冲击试验，由此测量吸收功vE(J)，评价韧性。还有，经测量得到的吸收功为60J以上的，评价：A(优良)，27J以上且低于60J的，评价：B(良)，低于27J的，评价：C(不良)。
＜抗裂纹性＞
在PWHT后的焊接金属中，通过微观组织观察确认有无裂纹，由此评价抗裂纹性。还有，根据微观组织观察，无裂纹的为合格。
＜金属组织＞
对于PWHT后的焊接金属，在微观组织观察中的最终焊道的原质部测量δ铁素体的面积率，由此评价金属组织的健全性。δ铁素体的面积率低于2％的，判断为无δ铁素体，合格。另一方面，δ铁素体的面积率为2％以上的，判断为有δ铁素体，不合格。
[表1]
Figure GDA0003940668010000121
[表2]
Figure GDA0003940668010000131
如表1和2所示，发明例1～6，因为焊接材料(焊丝)中的全部化学成分的含量在本发明的范围内，所以使用这些焊丝进行焊接的结果是，δ铁素体的发生得到抑制，能够得到韧性、抗裂纹性及高温强度均良好的焊接金属。
另一方面，比较例1、3和4，因为焊丝中的Mo含量及N含量低于本发明范围的下限，所以相比发明例，高温强度降低。
另外，比较例2因为焊丝中的Mo含量和N含量低于本发明范围的下限，使高温强度提高的B含量高于本发明优选范围的上限，所以高温强度的降低虽受到抑制，但韧性降低。
此外，比较例5～7因为焊丝中的Mo含量高于本发明范围的上限，所以δ铁素体在焊接金属中析出，韧性劣化，并且抗裂纹性降低。
如以上详述，根据本发明，能够提供一种高Cr铁素体系耐热钢用焊接材料，其能够抑制作为软质组织的δ铁素体的发生，由此，能够得到使韧性提高，并且抗裂纹性和高温强度都良好的焊接金属。
以上，对于各种实施方式进行了说明，但本发明当然不受这样的示例限定。如果是从业者，则可知在专利权利要求的范围所述的范畴内，能够想到各种变更例或修改例，关于这些也当然认为属于本发明的技术范围。另外，在不脱离发明的宗旨的范围，也可以任意组合上述实施方式中的各构成要素。
还有，本申请基于2019年2月21日申请的日本专利申请(特愿2019－029843)，其内容在本申请之中作为参照被援引。

Claims (3)

1.一种高Cr铁素体系耐热钢用焊接材料，其特征在于，含有
C：0.01质量％以上且0.15质量％以下、
Si：0.02质量％以上且0.90质量％以下、
Mn：0.20质量％以上且1.20质量％以下、
S：0.0005质量％以上且0.015质量％以下、
Co：0.50质量％以上且5.00质量％以下、
Cr：8.0质量％以上且9.5质量％以下、
Mo：0.02质量％以上且0.20质量％以下、
V：0.05质量％以上且0.90质量％以下、
Nb：0.005质量％以上且0.100质量％以下、
W：1.00质量％以上且5.00质量％以下、
N：0.02质量％以上且0.04质量％以下、
O：0.001质量％以上且0.015质量％以下、
B：0.007质量％以上且0.015质量％以下，并且
Cu：低于0.05质量％、
Ni：1.20质量％以下、
P：0.015质量％以下、
余量由Fe和不可避免的杂质构成。
2.根据权利要求1所述的高Cr铁素体系耐热钢用焊接材料，其中，所述Ni为0.05质量％以上且1.20质量％以下。
3.根据权利要求1或2所述的高Cr铁素体系耐热钢用焊接材料，其中，还含有
Al：0.015质量％以下、
Ti：0.015质量％以下。
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